Rheologie

 
Dozent: Prof. Dr.rer. nat. Ronald Gebhardt
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Vorlesung: 2 Stunde(n)
Übung: 2 Stunde(n)
Studienersatzmittel (Übung) Die Veranstaltung (Übungen) wird aus Qualitätsverbesserungsmitteln gefördert. Weitere Informationen bzgl. des Einsatzes von Qualitätsverbesserungsmitteln in der Fakultät für Maschinenwesen erhalten Sie auf den Internetseiten der Fakultät für Maschinenwesen.
Vorlesungstermine: Entnehmen Sie bitte dem RWTH Online
Vorlesungsunterlagen: Finden Sie im Lern- und Lehrportal Moodle
Vorlesungssemester: Sommersemester
Sprache: Deutsch
Art der Prüfung: Klausur

In verfahrenstechnischen Prozessen wird in vielen Fällen mit flüssigen Systemen gearbeitet. Häufig handelt es sich um Systeme, die gleichzeitig elastisches Festkörperverhalten und viskoses Flüssigkeitsverhalten aufweisen. Im Gegensatz zu niedermolekularen Flüssigkeiten treten oft komplexe Phänomene, wie die Änderung der Viskosität bei steigender mechanischer Belastung, auf. Ziel der Veranstaltung Rheologie ist es, diese Effekte zu verstehen, um Vorhersagen treffen zu können, wie sich ein flüssiges System unter verschiedenen Prozessbedingungen verhält.

Hierzu werden zunächst Scherraten- und Schubspannungsprofile von idealen Flüssigkeiten in der einfachen Scherströmung, der Rohrströmung, der laminaren Filmströmung sowie in einem Rührreaktor betrachtet und die Erkenntnisse dann auf nicht ideale Flüssigkeiten übertragen. Um die hierbei auftretenden Effekte zu verstehen, wird auf Grundlagen kolloidaler Systeme, d.h. auf die dort vorliegenden Strukturen sowie auf die vorherrschenden Wechselwirkungen und Löslichkeitseigenschaften eingegangen. Detailliert werden die Konzepte der idealen und realen Konformation langer Polymerketten für Suspensionen erarbeitet und die auf Selbstähnlichkeit der Polymere beruhenden Skalengesetze mit entsprechend kritischen Exponenten für den osmotischen Druck und charakteristische Größen und Konzentrationen besprochen.

Für die Beschreibung dynamischer Eigenschaften von Polymersystemen werden dagegen mechanische Modelle herangezogen, die z.B. für Polymere Perlen aus mehreren Untereinheiten betrachten, die durch Hooksche Federn miteinander verbunden sind. Neben den Grundlagen der Viskositätsmessung werden den Studierenden auch Modellansätze vermittelt, um einerseits die Konzentrationsabhängigkeit der Viskosität von Suspensionen und Emulsionen zu beschreiben, sowie andererseits aus konzentrationsabhängigen Messungen die intrinsische Viskosität, d.h. den Polymerbeitrag zur Viskosität zu bestimmen.

Im weiteren Verlauf wird nach Einführung des Spannungs- und Geschwindigkeitsgradiententensors das Fließgesetz verallgemeinert, um es für beliebige Strömungen im dreidimensionalen Raum einsetzen zu können. Dabei werden neben den Scherspannungen auch Normalspannungen behandelt, die man der Elastizität viskoelastischer Materialien zuordnen kann. Schließlich werden mit Oszillations-, Kriech- und Relaxationsversuch zeitabhängige Scherversuche besprochen. Derartige Versuche können eingesetzt werden, um die Anteile von elastischer, plastischer und viskoser Verformung, wie sie z.B. nach einer gezielten Deformation des Materials auftreten, zu bestimmen. Die unterschiedlichen Verformungen können Grundelementen wie Feder und Dämpfer zugeordnet werden, die sich dann in mechanischen Modellen kombinieren lassen, um komplexes Materialverhalten zu modellieren.